Højtemperaturvarmepumper og deres anvendelse

200° C med ny varmepumpeteknologi

Lars Reinholdt

Teknologisk Institut

Indhold

Højtemperaturvarmepumper og deres anvendelse

Hvad er teoretisk muligt?

COP Carnot COP Lorenz

Hybrid ammoniak/vand varmepumpeproces Processen

… i dag…

… i morgen…

Varmepumper med vanddamp Vand som varmepumpefluid

… i dag…

… i mrogen…

Konklussion

Højtemperaturvarmepumper og deres anvendelse

T_out > 85 – 90 °C Anvendelse

Fjernvarme / blokvarme

Udnyttelse af industriel spildvarme til intern eller ekstern brug

Energimæssig optimeringer i industrien

Integration af højtemperaturvarmepumper i industrien

Spildvarme

…~40°C

Elektrisk energi

Højtemp.

procesvarme

> ~ 90°C

Varmepumpe

COP

= Højtemp. procesvarme / Eleckrisk energi

COP for varmepumper

-10 10 30 50 70 90 110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temp. (°C)

Q (%) -10

10 30 50 70 90 110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temp. (°C)

Q (%) -10

10 30 50 70 90 110

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temp. (°C)

Q (%)

Teoretisk COP

COP Carnot (konstant kilde og dræn)

ܥܱܲ_஼ ൌ

ܶ_ு

ܶ_ு െ ܶ_௅

T_H = Sink temperature (K), T_L = Source temperature (K)

COP Lorenz (kilde og dræn med ”glid”)

ܥܱܲ_௅ ൌ

ܶ_௟௠ு

ܶ_௟௠ு െ ܶ_௟௠௅

T_lmH = log mid. temp. sink (K), T_lmL = log mid. temp. source (K)

COP

<> COP

T_H / T_Hmax = 150 °C

Eksempel B:

Kilde: 40>15°C Dræn: 60>90°C

Hvad er teoretisk muligt?

Forskellige typer varmekilder og medier,d er opvarmes, har forskellige karateristik

Eks:

COP Carnot: konstant kilde og dræn

COP Lorenz: kilde og/eller dræn med ”glid”

No. Heat source

(°C)

Heat sink (°C)

COP

COP

A 8 > 4 85 > 95 4,0 4,3

B 40 > 15 60 > 90 4,8 7,3

C 25 > 20 70 > 110 4,3 5,4

D 80 > 20 85 > 90 5,2 9,4

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Princippet

Absorption system, baseret på NH₃/H₂O har været kendt i mange år

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Princippet

I hybridsystemet er processen vendt om vha. en kompressor

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

EUDP-projekt: j.nr. 64010-0026 “Utilization of low-grade waste heat by means of high temperature heat pumps”

Case:

Hybrid varmpumpen hos Arla Foods

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Største fordel: Høj temperaturer ved lavere tryk I dag

110-130 °C I morgen

Nye (industrielle) kølekompressorer for højere tryk (drevet af udviklingen af CO₂ systemer): 50 op til 130 bar a.

180 to 250 °C (bør være) muligt…

Anvendelse:

Varmepumpeprocesser med “glid” på kilde og/eller dræn EUDPprojekt: J.nr. 64011-0351

Udvikling af ultra-høj-temperatur hybrid varmepumpe for proces applikationer (HIGH HEAT)

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Hybrid ammoniak/vand-varmepumpeprocessen

Modellering

Falling film varmevekslere

Tre parametre styrer COP:

Tryk

Koncentration Temperatur

Pinch point kan optræde inde i varmevekslerne

Vand som medie i varmepumpeprocessen

Tommelfinderregel: T_C,max < 90% af T_kritisk T_kritisk for udvalgte naturlige kølemidler

η_is = 0,75 T_SC = 1K

Kølemiddel T_kritisk(°C) T_C,max(°C) P_kritisk(bar a)

R290 (Propane) 97 60 46

R600 (Butane) 151 109 37

R600a (Iso butane) 136 95 37

R717 (Ammonia) 132 91 114

R718 (Water) 374 309 221

Vand som medie i varmepumpeprocessen

Meget høj fordampningsvarme (> lille massestrøm for samme ydelse)

Naturligt, ikke brandbart eller giftigt, lav pris

Moderat mætningstryk

Dampsystemer og komponeneter er kendt teknologi og meget udbredt

…Undtangen kompressorer…

Kompressorer

Efficiencies

Axial: Π_max 1:1,4 (η_is: 0,8)

Radial: Π_max 1:1,8-2 (η_is: 0,75)

Væskering: Π_max 1:3 (η_is: 0,5)

Screw compressors

Root compressors

Vanddamp-varmepumper

Anvendelse I dag

MVR (Mechanical Vapor Recompression)

Lavt tryk-løft > relativt lavt temperaturløft Typisk anvendelse: Inddampning

Højtryksblæsere I morgen

Højtemperaturprocesser Distillation

Ekstraktion Spray-tørring

Tørring i overhedet damp (max ∆T 50-80 K)

Direkte produktion af procesdamp

Konklussion

Varmepumper løser ikke alle problemer:

COP_carnot eller COP_Lorenz er grænsen

To højtemperaturvarmepumpeteknologier baseret på naturlige kølemidler blev præsenteret:

Hybrid ammoniak/vand processen I dag 110-130 °C.

Fordel ved “glid” i kilde og/eller dræn

Lavere tryk > standard (industrielle) komponenter brugt på en ny måde…

Nye industrielle komponenter til højtrykskøleprocesser gør det muligt at nå højere temperaturer (180 > 250°C)

Vandamp

Kendt teknologi, på nærd kompressorer

Nye kompressorer ved under udviklling og ret tæt på markedet Fordel ved “konstant-temperatur”-processer

Moderate tryk (10 bar ~ 180°C)

Mange tak

Kontakt:

Lars Reinholdt

teknologisk Institut E-mail: lre@dti.dk